"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Свет распространяется с огромной, но конечной скоростью: в вакууме она близка к 300 000 км/с и обозначается c. Измерить её на коротком расстоянии обычными часами трудно: свет успевает пройти путь быстрее, чем можно заметить. Поэтому учёные использовали астрономические наблюдения и специальные оптические приборы. Методы Рёмера, Физо и Фуко показали, как по задержке сигнала или смещению изображения определить время движения света и рассчитать его скорость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость света — скорость распространения света; в вакууме её обозначают c, и она составляет примерно 3·10⁸ м/с. Это значит, что за одну секунду свет проходит около 300 миллионов метров. Значение c нужно для расчётов и сравнения результатов опытов; в веществе скорость может быть меньше.
Метод Рёмера — астрономический способ определения скорости света по задержке затмений спутника Юпитера Ио. Наблюдатель сравнивает время событий, происходящих далеко от Земли, и учитывает изменение расстояния до них. Метод показывает, как время распространения света можно обнаружить без измерения очень короткого промежутка обычными часами.
Метод Физо — способ измерения скорости света с помощью вращающегося зубчатого колеса и удалённого зеркала. Колесо разделяет луч на короткие световые порции, а возвращение луча зависит от того, насколько оно успело повернуться. Так движение детали прибора помогает определить время прохождения света.
Метод Фуко — лабораторный способ определения скорости света с помощью вращающегося зеркала. Поворот зеркала за время движения луча меняет направление отражения и сдвигает изображение. Измерив этот сдвиг и зная скорость вращения, можно оценить время пути света.
На коротком отрезке свет проходит расстояние за чрезвычайно малое время: даже путь в сотни метров занимает лишь миллионные доли секунды. Человеческая реакция и обычные часы не успевают надёжно зафиксировать начало и конец такого движения. Поэтому простое деление расстояния на время, измеренное секундомером, даёт слишком неточный результат. Учёным понадобились либо очень большие расстояния, либо приборы, превращающие малую задержку в заметное событие.
Рёмер следил за затмениями Ио — спутника Юпитера, который периодически скрывается за планетой. Когда Земля удалялась от Юпитера, очередное затмение наблюдалось позднее расчётного времени; при сближении задержка уменьшалась. Причина в том, что свет от спутника должен был преодолеть меняющееся расстояние до Земли. Рёмер связал величину сдвига времени с дополнительным путём света и пришёл к выводу, что распространение света не мгновенно. Так наблюдения за повторяющимся небесным событием позволили оценить скорость.
В опыте Физо свет проходил через промежуток между зубьями вращающегося колеса, достигал удалённого зеркала и отражался назад. Пока луч двигался, колесо успевало повернуться. Если при возвращении на место исходного промежутка оказывался зуб, луч перекрывался; при подходящей скорости вращения возвращающийся свет снова проходил через соседний промежуток. Зная расстояние до зеркала и скорость вращения колеса, можно определить время, за которое луч прошёл путь туда и обратно.
В методе Фуко луч отражался от вращающегося зеркала, направлялся к неподвижному зеркалу, а затем возвращался. Пока свет находился в пути, первое зеркало немного поворачивалось, поэтому отражённый обратно луч шёл уже в другом направлении. Это вызывало смещение изображения, которое можно было измерить. Поворот зеркала за известный промежуток времени позволял найти время движения света и вычислить его скорость.
Опыты показали, что свету требуется ненулевое время, чтобы пройти расстояние: задержку или смещение удавалось связать с движением луча. Для расчёта применяют формулу v = s/t, где s — полный пройденный светом путь, а t — время. Если свет идёт к зеркалу на расстоянии l и возвращается, то s = 2l, а не l. Чем точнее измерены расстояние и время, тем ближе рассчитанная скорость к принятому значению для вакуума.
| Свойство | Метод Рёмера | Метод Физо | Метод Фуко |
|---|---|---|---|
| Где проводится наблюдение | Астрономические наблюдения за Юпитером | Лабораторный опыт на большом расстоянии | Лабораторный оптический опыт |
| Что измеряют | Сдвиг времени затмений Ио | Вращение колеса, при котором меняется прохождение луча | Смещение изображения |
| Основной принцип | Задержка света при изменении расстояния до Земли | Возвращающийся луч перекрывается зубцом или проходит через промежуток | Поворот зеркала меняет направление отражённого луча |
| Как получают время прохождения света | По задержке затмений и изменению расстояния | По известному вращению зубчатого колеса | По повороту зеркала и измеренному сдвигу |
| Особенности метода | Используется большое астрономическое расстояние | Свет проходит до зеркала и обратно | Малая задержка превращается в заметное смещение |
Сравнивайте методы по тому, какое событие измеряют: задержку небесного явления, прохождение луча через колесо или сдвиг изображения. Во всех случаях нужно связать измеренное событие с временем движения света. В лабораторных опытах отдельно проверяйте, учтён ли путь луча туда и обратно.
Нужно найти время движения, поэтому используем t = s/v. В условии расстояние уже задано в метрах, а скорость — в метрах в секунду, то есть обе величины представлены в СИ. Делим расстояние на скорость, чтобы получить время в секундах.
Ответ: свет достигнет цели за 0,000001 с, или 1 микросекунду. Это очень короткий промежуток, поэтому обычными часами его трудно измерить. Именно поэтому измерения скорости света требуют специальных способов.
Дано расстояние в одну сторону, от колеса до зеркала. Свет после отражения проходит такой же путь назад, поэтому полный путь вдвое больше указанного. Сначала переведём километры в метры, чтобы ответ был в единицах СИ.
Ответ: свет проходит 17 200 м, или 17,2 км. Удвоение относится именно к пути луча, а не к расстоянию между колесом и зеркалом. Этот полный путь потребуется подставить в формулу скорости, если известно время движения.
Время в условии уже относится ко всему пути туда и обратно, поэтому его не нужно удваивать. А расстояние 8,6 км дано только в одну сторону, значит, путь луча равен 2l. Переведём расстояние в метры, затем найдём скорость по формуле v = s/t.
Ответ: скорость по данным опыта примерно равна 3,02·10⁸ м/с. Табличное значение скорости света в вакууме — около 3·10⁸ м/с, поэтому полученный результат близок к нему. Небольшое расхождение связано с точностью измерений расстояния и времени.
Первая ошибка — принять расстояние до зеркала за весь путь света. Её допускают, когда забывают, что после отражения луч возвращается; тогда рассчитанная скорость получается вдвое меньше нужной. Проверьте направление движения луча: если он идёт к зеркалу и обратно, используйте s = 2l. Внимательно читайте, относится ли указанное время к одному направлению или ко всему пути.
Вторая ошибка — считать скорость света бесконечной, потому что вспышка или сигнал кажутся мгновенными. На обычных расстояниях задержка слишком мала для наших ощущений, но это не означает, что её нет. Сопоставьте путь с измеренным временем: конечная скорость определяется как v = s/t. Астрономические наблюдения и лабораторные опыты выявляют эту задержку.
Третья ошибка — подставить километры вместо метров или микросекунды вместо секунд, не изменив единицы. Причина обычно в том, что в задаче единицы выглядят привычно, а перевод кажется необязательным. Перед расчётом скорости проверьте, что расстояние выражено в метрах, а время — в секундах. Тогда результат будет в м/с; для контроля можно оценить порядок величины.
Четвёртая ошибка — смешать скорость света в вакууме со скоростью в веществе. Число c ≈ 3·10⁸ м/с относится именно к вакууму, а в прозрачном веществе свет распространяется медленнее. Это различие упускают, когда переносят значение c на любую среду. Проверьте, в какой среде движется луч и какое значение скорости требуется в условии.
Для решения задач о скорости света нужны знакомая формула движения v = s/t и умение переводить длины и время в единицы СИ. Тема связывает физику с астрономией: задержка сигнала помогает судить о расстояниях до небесных тел, ведь свету требуется время на путь к Земле. Значение скорости света понадобится при изучении электромагнитных волн, оптики и специальной теории относительности.
Почему скорость света нельзя было измерить обычными часами на небольшом расстоянии?
На небольшом расстоянии свет проходит путь за очень короткое время. Обычные часы и человеческая реакция не позволяют точно засечь такую задержку, поэтому нужны специальные приборы или астрономические наблюдения.
Как наблюдения за спутником Юпитера помогли оценить скорость света?
Рёмер наблюдал затмения спутника Ио и заметил, что их видимое время сдвигается, когда Земля удаляется от Юпитера или приближается к нему. Он связал задержку с дополнительным расстоянием, которое свету нужно пройти, и заключил, что скорость света конечна.
Почему в опыте Физо свет проходит через колесо дважды?
Луч проходит через промежуток между зубьями по пути к зеркалу, а после отражения возвращается к колесу. За это время колесо поворачивается, и возвращающийся луч может попасть на зуб, а не в промежуток; по скорости вращения находят время пути туда и обратно.
Чем метод Фуко отличается от метода Физо?
В опыте Физо время прохождения света определяют по тому, пропускает ли его промежуток между зубьями вращающегося колеса. В методе Фуко используют вращающееся зеркало: за время движения луча оно поворачивается, поэтому отражённое изображение смещается.
Одинакова ли скорость света в вакууме и в веществе?
Нет, в веществе свет обычно распространяется медленнее, чем в вакууме. Значение c ≈ 3·10⁸ м/с относится именно к вакууму.
39. Скорость света. Методы определения скорости света
